Vacuum Square

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 03 March36

강력한 흡입력을 갖는 진공청소기

진공 기술이나 제품들이 일상 생활에서 광범위하게 사

용되고 있다는 사실을 우리는 잘 알지 못 하고 있지만 실

제로는 거의 매일같이 진공 기술과 제품의 도움을 받아

생활하고 있다. 일반 가정에서 가장 많이 그리고 자주 사

용되는 것은 진공 청소기(vacuum cleaner)이다. 진공 청

소기는 Home shopping에서 판매되는 수 많은 제품/서

비스들 중에 자주 방송되는 제품 가운데 하나이다.

수 많은 진공 청소기 제조 업체들이 판매 경쟁을 하고

있기 때문에 진공청소기 제조 업체들은 구매자들로 하여

금 자사의 제품을 선택/구매할 수 있도록 하기 위해 조금

이라도 더 제품의 성능을 강조하기 위한 광고를 하게 된

다. 이러한 광고 중에 소비자에게 자사 제품의 우수성을

강조하기 위해 사용하는 방법 가운데 요즘 많이 사용되는

것이 투명한 관 내부에 무거운 볼링공을 넣고 진공 청소기

로 들어 올리는 것을 보여 주는 것이 대표적인 광고이다.

그림 1과 달리 관련 광고가 처음 나왔을 때는 볼링공 한

개를 들어 올리는 것을 보여 주었는데 요즘은 자사 진공

청소기의 흡입력이 경쟁사 제품보다 더 강하다는 것을 강

조하기 위해 그림 1처럼 볼링공 두 개를 겹쳐서 보여 주고

있다. 즉 볼링공이 1개가 아니고 2개임으로 더 강력한 흡

입력을 갖는다고 강조하는 것이다. 심지어 이제는 그림 2

처럼 수 많은 투명관 내부에 수 많은 탁구공을 넣어 놓고

진공 청소기로 들어 올리는 장면을 연출하기도 한다.

진공 청소기를 이용하여 무거운 볼링공과 수 많은 탁구

공을 들어 올리는 장면을 통해 자사 진공 청소기의 강력

한 흡입력을 강조하고 이러한 강력한 흡입력은 청소 기능

이 탁월하다는 것과 연계하여 설명함으로써 경쟁사 대비

자사 제품 성능 우위를 강조하는 것이다.

과연 이 광고 장면에서 진실은 무엇일까? 진공 청소기

의 강력한 흡입력일까 아니면 다른 구동력(driving force)

이 있는 것일까? 여기서는 강력한 흡입력을 자랑하는 진

공 청소기의 비밀을 살펴 보도록 하자. 그림 3은 강력한

흡입력을 갖는 진공 청소기의 진실을 살펴 보기 위한 간단

한 실험 장치를 그려 놓은 것이다. 그림 3에서 알 수 있듯

이 실험 장치는 투명한 한 quartz 관(외경 240mm, 두께

강력한 흡입력을 갖는 진공청소기주장헌

│융합까페│

<저자 약력>

주장헌 박사는 1996년 연세대학교 물리학과 박사학위를 받고 에드워드 코리아주식회사에 입사하여 현재까지 근무하고 있으

며, 2005년 제 1회 반도체 기술 대상 산업자원부 장관상을 수상하였으며 저서로 <진공기술 실무>와 <진공 이해하기>가 있다.

(jh.joo@edwardsvacuum.com)

[Fig. 1] 강력한 흡입력을 갖는 진공 청소기를 이용한 볼링공 들어 올리기

융합카페

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10mm, 길이 1m), 볼링공(직경 217 mm ± 2 mm), 진공

청소기, 압력 게이지, vent 밸브 등, 투명 quartz 관 양쪽

을 밀봉할 수 있는 밀봉판(sealing plate)과 O-ring으로

구성되어 있다. 단 주의할 것은 그림 3처럼 투명관 하단은

주변 대기압 환경으로 연결될 수 있도록 vent 밸브를 열어

놓은 상태로 실험을 해야 한다는 것이다.

실험을 하기에 앞서 먼저 생각해 보아야 할 것이 있다.

Home shopping 광고에서 강력한 흡입력을 갖는 진공

청소기를 시연하는 것을 자세히 살펴 보면 투명관의 내

벽과 내부에서 움직이는 볼링공의 외부면이 그림 4 (A)

처럼 붙어 있는 것을 알 수 있다(실제로는 카메라가 이

렇게 까지 확대하여 보여 주지는 않는다). 그림 4(B)처

럼 하여 광고 시연을 하지는 않는다는 것이다. 왜 그럴

까? 그림 4(A)와 그림 4(B)간의 차이가 강력한 흡입력을

갖는 진공 청소기의 진실을 설명해 주는데 있어 핵심적

인 내용이다. 즉, home shopping 광고와 달리 만일 투

명관 내부와 볼링공 외부가 서로 닿지 않는다면, 즉 그림

4(B)처럼 된다면 진공 청소기를 이용하여 볼링공을 들어

올릴 수가 없다. 다시 말해서 투명관 내부와 볼링공 외부

가 서로 닿지 않고 떨어져 있으면 아무리 강력한 진공 청

소기일지라도 볼링공을 끌어 올릴 수가 없다. 또한 만일

투명관 하단부가 대기압 상태를 유지하도록 어떤 식으로

든 개방되어 있지 않으면 볼링공을 끌어 올리는 것이 매

우 힘들게 된다.

이것은 home shopping 광고에서 설명하듯 진공 청소

기의 강력한 흡입력에 의해 볼링공이 끌려 올라가는 것이

아니라 진공 청소기의 강력한 흡입력이 아닌 다른 구동력

[Fig. 2] 강력한 흡입력을 갖는 차량용 진공 청소기를 이용하여 수 많은 탁구

공을 들어 올리는 장면

[Fig. 3] 실험장치 예

[Table.1] 볼링공의 무게

볼링공 무게(질량)

Pound kg Pound kg

6 2.72 12 5.44

7 3.18 13 5.90

8 3.63 14 6.35

9 4.08 15 6.80

10 4.54 16 7.20

11 4.99

[Fig. 4] 투명관 내벽과 볼링공 외부간의 간격 (A) 붙어 있음, (B) 떨어져

있음

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진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 03 March38

(driving force)에 의해 볼링공이 움직이게 된다는 것을

의미한다. 과연 이 구동력은 무엇일까? 볼링공을 끌어 올

리고 수 많은 탁구공들이 끌려 올라가게 하는 요인은 볼

링공과 탁구공의 중심을 기준으로 위와 아래에 생기는 압

력차(pressure difference)이다. 이미 우리가 잘 알고 있

듯이 압력의 정의는 단위 면적당 작용하는 힘으로 다음과

같이 주어진다.

따라서, 볼링공이 움직이는데 기여하는 구동력(FB)은

진공 청소기가 투명관 내부의 볼링공 상부 공간에 있는

기체(공기)를 배기할 때는 압력 PU과 대기압 상태를 유지

하는 볼링공 하부 공간의 압력 PD간의 압력차에 의해 볼

링공 직경 단면에 가해지는 힘에 의한 것이다. 즉,

그러나, 실제 볼링공에 가해지는 힘은 볼링공 상부와

하부간의 압력차에 의해 생기는 힘인 FB 뿐만 아니라 질

량이 m인 볼링공에 작용하는 중력 즉, 볼링공 무게 FG,

그리고 볼링공과 투명관 내벽간의 마찰력 Ff등에 의해 결

정된다. 따라서, 볼링공이 움직이는 위 방향을 +로 생각

하면 실제 FB는 다음과 같이 주어진다.

만일 볼링공과 투명관 내벽간의 마찰력 Ff가 거의 0이

라고 가정하면 16파운드(7.2 kg)의 볼링공이 움직이기 위

해(FB > 0) 필요한 볼링공 상부 압력 PU은 다음과 같이

계산할 수 있다.

D = 218 mm, m = 7.2 kg, g = 9.8 m/s2, PD =

101,325 Pa인 경우 PU은 약 99,434.59 Pa(= 994.346

mabr = 745.82 Torr) 보다 적어야 한다는 것을 알 수 있

다. 이 정도의 압력은 사실 매우 적은 값이며 거의 모든

종류의 진공 청소기가 제한된 공간에서 만들 수 있는 압

력이다. 따라서, 특정한 회사의 진공 청소기만 볼링공을

끌어 올릴 수 있는 것이 아니고 거의 모든 회사 제품들이

볼링공을 끌어 올릴 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 실제로는 볼링공 외부와 투명관 내벽의 접촉에

의해 생기는 마찰력 Ff, 볼링공 외부와 투명관 내벽 접촉

부위에서 볼링공 상부와 하부의 압력차에 의해 생기는 기

체 누설(흐름), 그리고 투명관 상부 O-ring 부위를 통한

누설 등으로 인하여 볼링공을 끌어 올리기 위해서는 위에

서 이론적으로 계산한 압력 PU은 약 99,434.59 Pa보다

는 더 낮은 압력이 되어야 한다는 것을 알 수 있다.

한 가지 더 생각해 보자. 앞에서 설명한 것처럼 투명관

내부와 볼링공 외부가 닿게 하여 진공 청소기를 작동시

켜 볼링공을 끌어 올린다고 할 때, 만일 그림 5와 달리 투

명관 하부가 대기압에 노출되어 있지 않고 완전히 막혀서

그림 7 (B), (C)와 같은 상태이면 진공 청소기를 작동시켜

볼링공이 투명관 상부로 이동하게 만들면 그림 7(C)처럼

볼링공 하부는 볼링공이 투명관 상부로 이동함으로 인하

여 보일의 법칙(또는 이상기체 상태 방정식)에서 알 수 있

듯이 체적이 증감됨으로 인하여 압력이 대기압에서 대기

[Fig. 5] 볼링공 상부와 하부에 형성되는 압력들(PD = 101,325 Pa = 760

Torr, FG = mg)

융합카페

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압보다 낮은 압력으로 낮아지게 된다. 이렇게 되면 볼링

공 하부의 압력이 낮아지기 때문에 볼링공 상부와 볼링공

하부 사이의 압력차 ΔP(= PD-PU)가 적어지게 된다. 따

라서 볼링공이 위쪽으로 움직이게 하는 힘이 줄어들게 되

어 볼링공이 투명관 바닥에서 일정한 높이에 도달하게 되

면 더 이상 움직이지 않게 되거나, 위 방향으로 이동하는

속도가 점차 줄어들게 된다.

만일 home shopping의 쇼호스트들이 설명하듯이 진

공 청소기의 강력한 흡입력에 의해 볼링공이 움직이는 것

이라면 그림 7(B), (C) 처럼 설치한 상태에서도 볼링공이

움직여야 한다. 그러나, 실제로 실험을 해 보면 볼링공이

거의 움직이지 않는(못 하는) 상태가 됨으로 볼링공의 이

동이 진공 청소기의 강력한 흡입력에 의한 것이 아니라

앞에서 설명하였듯이 진공 청소기에 의해 볼링공 상부에

형성된 낮은 압력 상태와 대기압 상태인 볼링공 하부의

압력차(pressure difference)에 의해 생기는 구동력에 의

해 움직인다는 것을 알 수 있다.

맺음말

진공 기술과 제품이 우리의 일상 생활에서 광범위하게

사용되고 있지만 우리는 그 활용을 거의 알지 못 하며 진

공 기술/제품에 대한 이해도 매우 부족한 상태이다. 우리

가 진공 기술/제품에 대해 제대로 이해하지 못 한다는 것

을 파고들어 진공 청소기를 구매하게 유도하는 광고에 대

해 제대로 이해하고 합리적인 소비를 추구해야 한다. 그

예 중 하나가 Home shopping에서 쇼호스트들이 진공 청

소기의 성능을 강조하기 위해 투명관 내부에 볼링공을 넣

고 들어 올리는 시연을 하는 것이다. 앞에서 설명한 것처

럼 볼링공의 이동은 진공 청소기의 강력한 흡입력(성능)에

의한 것이 아니라는 것을 이해하고 home shopping 광고

를 보면서 지름신(충동 구매)을 받아 들여 강력한 흡입력

을 갖는 진공 청소기를 구매하지 않도록 하여야 한다.

잊은 것이 있는데 혹시라도 앞에서 설명한 것을 실제

로 실험해 보고 싶어 하는 사람들에게 한 마디 조언을 드

리면 해당 실험을 하는데 있어 가장 어려운 것은 시판되

는 투명관(Acryl 또는 quartz)은 제조 과정에서 원심력을

이용하여 원형 모양을 만드는데 실제 시판되는 투명관들

을 구매하여 보면 내경이 길이 방향으로 전체적으로 일정

하지 않고, 마찬가지로 볼링공 역시 완전 구형이 아니기

때문에 투명관 전체 길이 방향으로 투명관 내벽과 볼링공

외부가 정확하게 닿도록 유지하는 것이 매우 어렵다는 것

을 명심해야 한다. 저자는 투명관과 볼링공 가공을 외부

전문 가공 업체에 맡기지 않고 직접 하려다 보니 여러 번

의 실패를 경험하였으며 결국은 home shopping 광고처

럼 제작하지 못 하고 볼링공 외부에 직경을 따라 O-ring

을 넣어 실험 장치를 구현할 수 있었다.

[Fig. 6] 볼링을 끌어 올리는데 필요한 상부 압력 측정 실험 (A) 실험 전경,

(B) 볼링공이 올라갈 때 압력 게이지의 진공도(압력), 약 910 mbar

정도 (C) 압력 단위 확인을 위한 압력 게이지 전경

[Fig. 7] (A) 투명관 하부가 대기압 상태를 유지, (B) 투명관 하부가 막힌 상

태, (C) 투명관 하부가 막힌 상태에서 볼링공이 투명관 상부로 이

동한 경우